pn結工作原理

1.2.1 PN結的形成 

    在一塊本征半導體的兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程: 

       因濃度差 

           ↓

     多子的擴散運動®由雜質離子形成空間電荷區 

                         ↓ 

             空間電荷區形成形成內電場 

               ↓                   ↓ 

   內電場促使少子漂移        內電場阻止多子擴散 

    最后，多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。在P型半導體和N型半導體的結合面兩側，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。PN結的內電場方向由N區指向P區。在空間電荷區，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。PN結形成的過程可參閱圖01.06。

圖01.06 PN結的形成過程（動畫1-3）如打不開點這兒（壓縮后的）

1.2.2 PN結的單向導電性 

   PN結具有單向導電性，若外加電壓使電流從P區流到N區，PN結呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。 

   如果外加電壓使： 

   PN結P區的電位高于N區的電位稱為加正向電壓，簡稱正偏； 

   PN結P區的電位低于N區的電位稱為加反向電壓，簡稱反偏。 

(1) PN結加正向電壓時的導電情況 

PN結加正向電壓時的導電情況如圖01.07所示。 

    外加的正向電壓有一部分降落在PN結區，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是，內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現低阻性。

圖01.07 PN結加正向電壓時的導電情況(動畫1-4),如打不開點這兒（壓縮后的） 

(2) PN結加反向電壓時的導電情況 

PN結加反向電壓時的導電情況如圖01.08所示。 

    外加的反向電壓有一部分降落在PN結區，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區的少子在內電場作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結呈現高阻性。 

    在一定的溫度條件下，由本征激發決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。 

PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。 

圖01.08 PN結加反向電壓時的導電情況(動畫1-5),如打不開點這兒（壓縮后的） 

1.2.3 PN結的電容效應 

   PN結具有一定的電容效應，它由兩方面的因素決定。一是勢壘電容C_B ，二是擴散電容C_D 。 

(1) 勢壘電容C_B 

   勢壘電容是由空間電荷區的離子薄層形成的。當外加電壓使PN結上壓降發生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖見圖01.09。

 
圖01.09 勢壘電容示意圖 

(2) 擴散電容C_D 

   擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區擴散到P區的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在 P 區內緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。反之，由P區擴散到N區的空穴，在N區內也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴散電容的示意圖如圖01.10所示。 

   當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結兩側堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。